坡度对虹吸管路气液两相流动水力特性影响试验研究

张小莹，李 琳，谭义海，吴洋锋

(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

由于近年来全球气候变化异常，大范围少量降雨和局部单点暴雨的发生频率越来越高,导致抗旱、水库应急抢险等防灾减灾的工作任务越来越重。虹吸管道以其输水不受布置条件的限制，路线布置简便，施工工程量节约，保证正常供水的优点成为许多工程首选的输水管路[1-3]。在坎儿井式地下水库中，长距离、大真空度的虹吸式输水管道是其重要组成部分,其相关水力特性与短距离驼峰式虹吸管路不同,但与其相关的研究报道甚少[4,5]。本课题组成员对真空度较大、平坡布置的正虹吸管道进行了以下研究：通过试验研究发现，随着虹吸管道的安装高度逐渐增大，虹吸管内的汽化愈发严重(特别在水平管段)，且管路流量及压降大小均随安装高度的增大而逐渐减小[6-10]。以上研究仅仅是对平行管路平坡布置的虹吸管路进行研究，并没有对中行管倾斜布置时坡度的改变是否会对气液两相流动水力特性存在影响。然而，笔者发现当虹吸管中行管路倾斜布置时，管内气泡或气囊的分布和运动规律随坡度的改变而改变。文章通过系列实验观测了正坡及逆坡管路不同坡度下虹吸管内的气液两相流动现象、流型的变化及气体分布情况，对管径为2 cm的不同坡度下管内气液两相流动现象及流型的变化进行了探讨和分析，本课题组成员在前期研究中已针对管径为d=3 cm的长距离正虹吸管路进行了流动现象、流型及含气率的量测，在管径较大时管内流动现象、流型及含气率随坡度的变化与d=2cm时并无差异。故本试验结果拟为揭示中行管倾斜布置的正虹吸管内气液两相流动特性奠定基础。

1 试验装置及试验工况

图1为本试验的试验装置图。其中图1(a)为管路正坡布置的试验示意图、图1(b)为管路逆坡布置的试验示意图。如图1所示，整个虹吸管路由上行管、中行管、下行管组成，材料用管径d=2 cm的有机玻璃管制成。安装高度hs为6 m时进行不同坡度的试验。将中行管段倾斜放置，逆坡布置时坡度为负，顺坡布置时坡度为正，本实验共设置10个不同坡度，不同坡度下倾斜管段的长度均为l=18.15 m，恒定不变。竖直管段(上行管段、下行管段)垂直于地面布置，长度由实际安装高度决定，在整个虹吸管路从上游至下游分别布置9个环形掺气电极(上行管段2个，中行管段5个，下行管段2个)，如图1中1～9所示。整个试验装置由上游水箱、虹吸管路及下游水箱组成，在上游水箱中布置一个溢流堰，用来恒定上游水位，在下游水箱内布置一个20° 开口三角形薄壁堰，用来量测虹吸管道内的过流量。

图1 试验装置图Fig.1 Test device diagram

试验分别在坡度为i=±1/60，±1/30，±1/20，±1/15，±1/10等10个坡度；上下游水位差为H=5，10，15，20，25，30，35，45，55，75，95，115，135 cm等13个水头差下进行。试验步骤如下：

(1)确定上下游水位差H。

(2)开始对环形掺气电极进行率定。环形掺气电极在空管和满管不同情况下率定，首先保证管路为空管，使DJ800数据采集系统相应的通道口均为联通状态，在电脑桌面上点击“开始采集”按钮进行数据采集，待采集结束后，提取数据进行处理。此外，在管道内为液相满流状态时以上述同样的步骤进行率定，若空管时所测得含气率为100%，满管时所得含气率为0，则说明仪器可以正常使用，可开始后续试验。

(3)保证虹吸条件。用水泵A向水箱抽水直至溢流状态，再用水泵B连接上行管管口进行充水排气，至管内完全被水流充满后将水泵B移出水箱，流经下行管段的水流流进下游水箱后被连接上、下游水箱的管道又输送至上游水箱中，如此水流达到循环状态。

(4)待虹吸过程稳定一段时间后开始进行含气率的量测并拍摄和记录虹吸管内气液两相流动的试验现记录虹吸管内的流动现象及流型。

2 试验结果分析

2.1 坡度对倾斜管道内流动现象的影响

通过对倾斜管道内试验现象的观察发现，坡度i不变时，随着上下游水位差H的增大，管内的气泡体积、数量均减少，管内伪空化现象减弱，以上现象与文献[6]所述试验现象均一致，故不再赘述。本节主要研究上下游水位差H不变时，坡度的改变对管内气液两相流动现象产生的影响，选择以H=35 cm工况为例对倾斜管内流态进行描述，其余工况下管内流动现象随坡度变化所呈现的规律与H=35 cm一致。

在倾斜管道内，不同坡度下管内的流动现象不相同。图2为管路逆坡布置时，不同坡度下中行管道内流态的示意图。图2(a)为坡度i=-1/60时管内流动现象，此时管内气泡数量很多，从上游析出的气泡在中行管道前半段时气泡体积大约为4～5 mm，整个管壁上附着大量的1 mm左右体积较小的气泡，在流动的过程中气泡逐渐聚合成较大的气泡，且不断吸附附在边壁上的气泡使自身体积增大，随着气泡体积逐渐增大，在整个管道分布着大小不一的气囊，沿程分布的气囊静止在管壁的上部，气囊运动速度缓慢，且体积不断增大，当气囊贯穿整个断面时管路发生断流。当坡度逐渐增大为i=-1/30时，流态如图2(b)所示，从图中可看出，在管壁上附着的气泡数量明显减少，从上行管流入中行管首部的气泡体积约为1 mm左右，靠下游的位置处分布的大气囊的体积较i=-1/60时有所减小，在整个管道沿程分布的气囊体积变小，管内气泡的速度加快。当坡度i=-1/10时，如图2(c)所示整个管道附着的气泡数量和体积都有所减少，要分布在管壁的上半部分，许多小气泡还来不及析出就被水流带向下游，管内气泡的运动速度变大。图3为逆坡管路中不同坡度、相同区域处管内的流态。3(a)为在倾斜管道首端A区域处管内的流态，由上行管路流入中行管的气核开始析出，许多体积较小的气泡附着在管壁上，在i=-1/60时，管道上部析出约为5 mm的气泡随水流向下游运动；i=-1/30时，随水流运动的气泡体积约为2～3mm，随着坡度的逐渐变大，管壁上附着的气泡数量逐渐减小，当i=-1/10时，管道上部的气泡减小为1 mm左右，且管壁上气泡体积小数量少。图3(b)为倾斜管道靠近末端B区域处管内的流态，在此处可明显看出管内气泡流态较为恶劣，且气囊的体积也较大，i=-1/60时，大气囊约40 cm长，气囊周边附着小气泡；当i增大到-1/30时，管内气囊体积减小到15 cm；当坡度变为i=-1/10时，边壁上附着的小气泡数量明显减少，且管内已由气囊转变为气泡，气泡大小约为4 cm。

图2 逆坡管路不同坡度的中行管路内流态示意Fig.2 Negative slope pipeline flow of different slope

图3 逆坡管路不同坡度、相同区域处管内的流态Fig.3 Negative slope line slope of the same area at different pipe flow

中行管路正坡布置时，管路的管壁上沿程可以看到一些小气囊附着在管壁上，中行管段的末端聚集成气囊，还有部分气泡逐渐吸收停留在管壁上的气泡使自身体积不断增大后以缓慢的速度向下游运动，这一现象与逆坡管路一致。与逆坡管路不同的是，正坡管路虹吸一段时间后，聚集在管内的大气囊开始以很缓慢的速度向上游运动，即气泡运动方向与水流方向相反；当气囊运动方向与水流流动方向相反时，只有少部分的水流穿过大气囊流向下游。正坡管路中不同坡度下气囊开始向上游运动时的大小也不相同；随着坡度的不断增大，气囊的体积逐渐减小。图4为管路正坡布置时，不同坡度下相同区域内的管内流态。如图4所示，当i=1/60时，管内气囊大小为50～60 cm；当坡度增大到i=1/30时，气囊减小到30～40 cm；当坡度变为最大i= 1/10，气囊的大小为20～30 cm。由上可知，当上下游水头差H不变时，中行管道内流动状态与坡度密切相关；中行管段无论逆坡还是正坡布置时，坡度不同，中行管路内的气液两相流动现象也不相同。无论逆坡还是正坡管路中，坡度越大，管内流动状态越稳定；随着坡度的增大，中行管内气泡数量、体积有所减小，管内真空度减小，伪空化现象减弱，管路压力变大，析出的气泡对水流阻力逐渐减小，气泡的流速逐渐加快。

图4 正坡管路不同坡度、相同位置处管内的流态Fig.4 Positive slope line slope of the same area at different pipe flow

2.2 坡度对管道含气率的影响

为了清晰地看出随着坡度的变化倾斜管道内所含气泡或气囊的多少，将倾斜管道不同坡度下典型位置处的含气率大小分别绘制于图5及图6中。将图5为H=35 cm时，随着坡度的变化，逆坡管路7号环形掺气电极处所测得的含气率随时间的变化规律，由图5可知，在逆坡管路中，含气率随坡度的增大而减小，试验中坡度从i=-1/60增大至i=1/10时，管内最大含气率共减小了12.4%，当i=-1/60时，此时管内水流流态恶劣，管内的气囊体积比其他坡度下气囊的体积要大，体积很大的气囊附着于电极上，随水流以很缓慢的速度向下运动或者静止在管壁上不动，故使得峰值出现的频率很高且数值很大。当坡度逐渐增大时，管内沿程分布的气囊体积变小，水流流速变快，挟气能力增强，使气泡析出的体积变小，当i=-1/10时，大部分气泡随着水流运动至下游直到排出管外，使得管内气泡或气囊的体积逐渐减小，故而含气率的峰值较小，含气率分布的也很疏松。为了探明不同坡度下整个管路含气率的分布规律，将逆坡管路不同坡度下的3、5、7号电极处的截面平均含气率绘制于图6中。从图6中可以看出，坡度越大，不同时段的平均含气率值越小：在t=0～50 s，随着坡度由-1/60→-1/30→-1/20→-1/10时，平均含气率由10.6%→8.8% →6.8%→5.4%，含气率减小了5.2%；在t=150～200 s，随着坡度的增大，管内平均含气率减小了5.5%。如图6还可知，在不同时刻时所测得的3个电极的平均含气率各不相同，有高有低的原因是：在平均值较大的时间段中气囊可能静止在管壁上使得峰值均较大且含气率分布较密集，故而所求得的平均含气率较大；在平均含气率较小时，管内气泡或气囊随水流缓慢向下运动，此时所测得的含气率大小分布疏松，一部分水流经过时所测得含气率基本为0，故而此时求得的含气率平均值较小。

图5 H=35 cm时逆坡管路含气率大小随坡度的变化Fig.5 H=35 cm, Negative slope slope pipeline gas rate size along with the change of slope

图6 逆坡管路不同时段截面平均含气率随坡度的变化Fig.6 Negative slope pipeline section average rate of gas in the different periods along with the change of slope

图7为H=35 cm时正坡管路中3号环形掺气电极处所测得的含气率特征随坡度的变化规律，有图7可知，正坡管路内截面含气率随坡度的增大而减小。在坡度从i= 1/60增大为i= 1/10时，3号电极最大含气率从26.5%减小到了21.4%，减小了5.1%。由图7还可知，随着坡度的增大，所测得含气率分布较疏松，这是因为随着坡度的逐渐增大，管内的伪空化现象逐渐减弱，水流的挟气能力增强，使气泡析出的体积变小，所以所测得的管道含气率变小，峰值出现的频率也有所减小，含气率分布较为疏松。图8为正坡管路不同坡度下3、5、7号电极处的截面平均含气率随时间的变化，与逆坡变化规律一致，不同时段的平均含气率值均随坡度的增大而减小，坡度越大，平均含气率的值越小。在t=100～150 s，随着坡度由1/60→1/30→1/20→1/10时，平均含气率由16.3%→14.2% →13.4%→10.8%，含气率减小了5.5%；在t=250～300 s，随着坡度增大，平均含气率由15.9%减小到9.6%，含气率减小了6.3%。由上可知，在正坡管路中含气率随坡度的增大而减小。

2.3 坡度对管内流型的影响

随着虹吸管安装高度的增大，上行管、下行管和中行管段压强逐渐降低，自然水中少量肉眼看不见的极微小且不溶解于水的气核，由于气核内部压强大于外部压强而膨胀析出。文献[6]中对虹吸管内稳定虹吸时管内的气液两相流流型分为气泡流(a型气泡流，b型气泡流)、过渡流和气团流三类。根据文献[6]中的分类方法，分析了本试验中各个工况下虹吸管路内的气液两相流流型，结果见表1。由表1可看出，与文献[6]规律一致，随着上下游水位差H的增大，虹吸管内的流型变化较大，i=1/60时，随管道水头的增大，气液两相流流型依次经历了气团流、过渡流和气泡流流动过程。由表1可看出，倾斜管内流型与管道坡度无关，如H=75 cm时，无论坡度如何变化，虹吸管内均为气泡流；H=45 cm时，所有坡度下管内均为过渡流；H=25 cm时，所有坡度下管内均为气团流；说明坡度的改变对管内气液两相流流型并无影响。但坡度的改变对逆坡布置的虹吸管路能否稳定虹吸影响显著，当坡度i≤-1/20，H≤10 cm时，逆坡管道在低水头作用下易断流，再如在i=-1/60时，在H≤20 cm的工况下便已发生断流现象，说明随着坡度的减小，断流现象加剧。但是在正坡管路中，坡度改变时在不同水头差下均无断流现象发生。由上说明，坡度的改变对虹吸管内流型并无影响，仅与逆坡管路在较低水头差下能否稳定虹吸有关。

图7 H=35 cm时正坡管路的含气率大小随坡度的变化Fig.7 H=35 cm, Positive slope pipeline gas rate size along with the change of slope

图8 正坡管路不同时段截面平均含气率随坡度的变化Fig.8 Negative slope pipeline section average rate of gas in the different periods along with the change of slope

3 结 语

本文通过系列试验观测了中行管路倾斜布置的虹吸管内气液两相流动现象、含气率、气液两相流流型等水力特性，根据试验结果，对不同坡度下管内流动现象、含气率、流型进行了探讨和分析。结果表明，无论在正坡管路还是逆坡管路中，随着坡度的逐渐增大，中行管内气泡的大小逐渐变小，数量逐渐减少，管内气泡的流动速度逐渐加快。正坡及逆坡管道中，坡度越大，中行管内的最大含气率及平均含气率越小。虹吸管内的流型与中行管段的布置方式(正坡、逆坡)及坡度的大小均无关系，但坡度的改变对逆坡管路能否稳定虹吸产生影响。研究结果为揭示中行管段倾斜布置的虹吸管内气液两相流水力特性的影响机制奠定了基础。

表1 不同工况下的气液两相流流型Tab.1 Gas-liquid two-phase flow pattern under different conditions

注：表中1为气泡流(1a为a型气泡流，1b为b型气泡流)；2为过渡流，3为气团流，-为断流。

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